JPH0547634A

JPH0547634A - 位置検出装置

Info

Publication number: JPH0547634A
Application number: JP3202952A
Authority: JP
Inventors: Kenji Monma; 健治門馬
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1991-08-13
Filing date: 1991-08-13
Publication date: 1993-02-26

Abstract

(57)【要約】【目的】高精度で、しかもノイズに強い位置検出装置
を得ること。【構成】基準部材１０３のスリットパターン１０４と
レチクルＭのスリットパターン１０６とはラインアンド
スペースパターン（周期性パターン）であり、かつ周期
（ピッチ）方向とほぼ垂直な方向に、光電信号の強度を
部分的に変化させるための特定パターンとして、矩形状
パターンが部分的に延長されている。第１信号処理回路
３０１は光電信号の周期性に基づいてスリットパターン
１０４、１０６の相対位置を検出し、第２信号処理回路
３０２は光電信号の強度に基づいてピーク位置を検出す
る。そして、この検出されたピーク位置に関する情報に
基づいて、信号波形の中心位置を周期性パターンの±半
周期以内に特定することにより、２つのスリットパター
ンの相対位置を算出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、２つの物体の相対位置
を検出する装置に関し、特に半導体素子や液晶表示素子
製造のリソグラフィ工程で使用される露光装置に好適な
マスクまたはレチクルと感光基板（半導体ウエハやガラ
スプレート）との相対的な位置関係を検出する装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、２つの物体間の位置関係を知るこ
とにより位置計測を行なう手段としては様々な方法が提
案されてきた。それらのうち、２つの物体にそれぞれス
リットを設け、一方のスリットを照明光によって照射し
ながら２つの物体を相対移動し、もう一方のスリットを
通って光電検出器（ＰＩＮフォトダイオード等）に入射
する照明光の光量（光強度）の変化を求めることによ
り、２つの物体の相対的な位置関係を知る方法は、例え
ばエンコーダー等に利用されているように、広く知られ
ている。

【０００３】その中で、特に高精度を要求される半導体
集積回路製造用の露光装置への適用例は、例えば特開昭
６４−１０１０５号公報に開示されている。この公報に
よれば、ウエハステージ上の基準部材に形成されたスリ
ットを下方より照明し、このスリットの像を投影レンズ
を介してレチクルのパターン面に形成する。さらに、ウ
エハステージを微動してこのスリット像とレチクル上の
スリットとを相対移動させ、このレチクルのスリットを
透過した光を光電検出器にて受光する。そして、光電検
出器からの信号をウエハステージの単位移動量（０．０
２μｍ程度）毎に発生するアップダウンパルスに同期し
てサンプリングし、このサンプリングした値をデジタル
値に変換した後、所定の演算処理により相対位置を検出
している。ここでは、２つのスリットの重なり具合に応
じた光電信号の変化から、信号波形がピークとなる位置
を求めている。

【０００４】また、上記方法以外に、例えば平均化の手
法により計測誤差を低減する方法として、一つもしくは
同一形状の複数のスリット同士の相対走査によって発生
する複数のピークを有する信号波形を、既知のスリット
間隔に基づいてピーク検出を行い、個々の位置の平均値
から全体の位置を計測する方法があった。さらに上記方
法に、特開平１−２９９４０２号公報で示されている方
法を適用する方法も考えられた。これは、等間隔に並ん
だ互いに同一な形状からなる複数のスリット同士を用い
ることにより、周期性をもった信号波形から基本波成分
及びその高次成分をフーリエ級数展開により抽出し、そ
れらと、設計上導かれる基本波成分及びその高次成分と
の位相差により、相対位置を算出する方法であった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
如き従来の技術では、例えば信号波形のピーク検出にて
位置を検出する方法では、ノイズや光源自体の光量変化
などの影響により波形が乱れた場合、誤った位置を検出
してしまうという問題点があった。また、複数のピーク
を有する信号波形を用いて検出を行なう方法でも、程度
の差はあるにせよ本質的改善には至らなかった。さら
に、エキシマレーザのようなパルス状に発光する光源を
使用した場合には、発光のタイミングに合わせて光量を
検出する必要があり、長い範囲を検出しようとすると、
発光間隔に規制されて、実用上十分な計測精度を得るた
めには長大な時間を要してしまうという問題点があっ
た。

【０００６】また、波形の位相差を用いて相対位置を検
出する方法では、ノイズもしくは光源自体の光量変化な
どの影響を受けにくい上、比較的粗い間隔で光量変化を
検出してもかなりの精度が得られるが、設計上導かれる
基本波成分と実際に検出された波形の基本波成分の位相
が半周期以上ずれていると、その原理上、誤検出をして
しまうという問題点があった。

【０００７】この問題点に対して、特開平１−２９９４
０２号公報においては、予め半周期以上ずれないように
プリアライメントしておくこととした。しかしながら、
プリアライメントに時間を要すること、プリアライメン
ト用のマークが別に必要なこと、及びプリアライメント
用のマークと実際の計測に用いるスリットとの製造誤差
によるずれ（オフセット）等を予め校正しておく必要が
あること等の問題点があった。

【０００８】本発明は上記問題点を解決する為に提案さ
れたもので、高精度でしかもノイズに強い計測を短時間
で行なうことができる位置検出装置を得ることを目的と
している。

【０００９】

【課題を解決する為の手段】上記目的達成の為に本発明
では、第１のパターンを有する第１物体に対して第２の
パターンを有する第２物体を所定の第１方向に相対的に
移動する手段と、前記第２物体の位置を検出する手段
と、第１のパターンと第２のパターンとに照明光を照射
する照明手段と、照明光の照射によって前記第１のパタ
ーンと第２のパターンとから発生する光を受光する光電
検出手段とを備え、第１物体と第２物体とを第１方向に
相対移動させたときに光電検出手段から出力される検出
信号と、検出手段からの検出信号とに基づいて、第１物
体と第２物体との第１方向に関する相対位置を検出する
装置において、第１のパターンと第２のパターンとは、
第１方向に関して周期性を有するとともに、検出信号の
強度を部分的に変化させるための特定パターンが第１の
方向と交差する第２の方向に形成されており；光電検出
手段からの検出信号の周期性に基づいて第１の位置情報
を発生する第１の信号処理手段と；光電検出手段からの
検出信号の強度に基づいて第２の位置情報を発生する第
２の信号処理手段とを設け、この第１の位置情報と第２
の位置情報とに基づいて相対位置を検出することとし
た。以下の実施例では、図１、図２に示すようなパター
ン１１、１３、１５等を２つの物体の各々に形成するこ
とによって、光電信号の強度を部分的に変化させてい
る。

【００１０】

【作用】本発明では、先の特開平１−２９９４０２号公
報に開示された手法、すなわち２つの物体の各々に形成
した周期性パターンを相対走査したときに得られる信号
波形から基本波成分及びその高次成分をフーリエ級数展
開により抽出し、これらと設計上導かれる基本波成分及
びその高次成分との位相差から相対位置を算出する方法
（以下、簡単に位相差計測法と呼ぶ）を採用する。そこ
で本発明は、例えば２つの物体の各々に形成すべきパタ
ーンの一例としてスリットパターンを考えた場合、一方
のスリットパターンが他方のスリットパターンに対して
相対的に移動するとき、その光量Ｐは移動量ｘに対する
関数ｆ（ｘ）となり、関数ｆ（ｘ）は２つのスリットパ
ターンの重なり具合、すなわち重なり合った開口部の面
積に比例することに着目し、光量的に特徴ある波形（す
なわち、信号強度が部分的に大きく変化する波形）を発
生させる。つまり、本発明では２つの物体の各々に形成
する周期性パターンに、その周期（ピッチ）方向と交差
する方向に特定パターンを付加することによって、信号
強度を部分的に変化させる、換言すれば上記信号に他の
ピークと区別できる波形（ピークまたはボトム）を発生
させることとした。従って、位相差計測法においてプリ
アライメント等を行わずとも、特定パターンに対応して
部分的に信号強度が変化した光電信号の波形をガイドと
することにより、信号波形の中心位置を周期性パターン
の±半周期以内に特定できる。このため、２つの物体を
１回だけ相対移動することにより、信号波形の中心位置
を±半周期以内に特定して位相差計測法によりその相対
位置を算出することが可能となる。これによって、位置
計測にあたっては１回の相対移動だけで済み、スループ
ットの低下を防止することができるとともに、高精度で
しかもノイズに強い位置計測を実現できる。

【００１１】ここで、最初に用語の定義から始める。ま
ず、本発明で使用するパターンをスリットパターンとマ
ークパターンの２種類に分類する。スリットパターンと
は測定光を透過させる類のパターンであり、マークパタ
ーンとは測定光を反射させる類のパターンとする。この
分類は、以下の基本原理の説明において使用するための
ものである。これは、本発明において重要なのはそのパ
ターン形状であり、光の透過や反射等の区別はさして重
要ではないからである。以下の基本原理の説明に記述し
た通り、種々のパターンにより得られる信号波形は、本
発明における計測については等価であり、なんら区別さ
れ得ないからである。また、各パターンの形状について
は測定光の光軸上でみた２次元形状であり、実際の形状
が３次元的に複雑であっても、結果的に本発明の条件を
満たしていれば良い。

【００１２】さらに細かく定義すると、スリットは測定
光を透過する開口であり、その周辺は最低限でも走査範
囲に渡って測定光を遮断するものである。一般には、開
口部とその周辺部との間に信号検出可能な最低限の差
異、すなわち光透過率の差があれば充分で、必ずしも完
全な透過及び遮断を求めるものではない。また、この変
形として、パターン部にて測定光を遮断し、その周辺部
で透過するような反転した構成でも同等であるとする。
また、同様にしてマークパターンとその周辺は、信号検
出可能な範囲で反射率が異なっていればよく、一方のマ
ークパターンについて明暗のいずれかであると特定する
ことは無意味である。

【００１３】ところで、本発明において最も重要なパタ
ーン形状について、本発明中の図、例えば図１において
は、２つの物体（パターン）の走査（計測）方向に対し
てほぼ垂直な方向に伸びた長方形の形状、並びにそのパ
ターンを走査方向に対して均等（所定ピッチ）に配列し
て示していたが、必ずしもこれらの形状にとらわれる必
要はない。例えば、図５（ａ）、（ｂ）に示したように
格子状パターンや、斜めパターンのような形状も考えら
れる。但し、フーリエ級数展開による位置検出のために
は、特開平１−２９９４０２号公報に示されているよう
に各パターンの幅及び間隔が走査方向に対して均一で、
発生する波形は周期性を持つ必要があることは言うまで
もない。

【００１４】また、走査の方向は、上記パターンの条件
を満たす限り特に限定されない。本発明では第２物体の
位置を検出する手段を有すと記述したが、第２物体の位
置ｘと時刻ｔとがｘ＝ｆ（ｔ）なる関係で表わされる場
合において、関数ｆ（ｔ）が既知であるならば、上記の
位置を検出する手段は時刻を検出する手段として置き換
え可能なことは明白である。例えば、一定の回転数で回
転する物体を用いる場合には角度を時間に置き換えて計
測することは容易である。

【００１５】さて、本発明においては、主に光（連続光
でもパルス光でも良い）を用いた計測について記述して
いるが、この光についても赤外線から紫外線まで適用で
きる。また、Ｘ線や電子ビーム、粒子ビーム、放射線、
音波、あるいは電波等を使用できる。つまり、波動もし
くは粒子粒であっても直進性を持ち、これに対する透過
率もしくは反射率が異なるパターンを形成し、かつその
強度を測定することが可能なものであれば基本的に適用
可能である。

【００１６】次に、基本原理について説明する。まず、
２つの物体の各々に、図１３（ａ）に示すような１本の
矩形状パターン（シングルスリット）４１が形成されて
いるものとする。ここで、互いのスリットパターンの長
手方向は２つの物体の相対移動方向に対してほぼ垂直に
なっているものとし、移動方向を幅、これと垂直な方向
を長さとすれば、２つのスリットパターンの幅も同一で
あるとする。この場合、２つの物体の各々に設けるスリ
ットパターンの長さは互いに異なっていても構わない
が、当然ながら結果的に短い方に規制されることにな
る。尚、２つの物体の距離（間隔）は零で、物体の厚さ
も零であるとする。また、測定光は平行平面波であると
し、回折や屈折等の影響は微小であり無視し得るもので
あるとする。さらに、スリットパターンの周辺部は測定
光を完全に遮断するものであるとする。

【００１７】さて、上記の如き２つのシングルスリット
４１を相対走査したときに得られる光量（光強度）変化
を図１５（ａ）に示す。図１５（ａ）において横軸は移
動量（位置）ｘ，縦軸は光量ｐ（すなわち、２つのシン
グルスリットを透過した光の強度に応じた光電信号のレ
ベル（電圧値））を表しており、ここでは同図から明ら
かなように１つのピークをもつ三角波状の波形５１とな
る。位置ｘ_pは、光量ｐがピーク（光量ｐ₁）となる位
置、すなわち２つのシングルスリットが正確に重なった
ときの位置を表している。

【００１８】次に上記と同一条件で、２つの物体のうち
の一方に、図１３（ｂ）に示すようなｎ本（図では７
本）のスリットパターンから成るパターン（マルチスリ
ット）４２を形成した場合を考える。ここで、各スリッ
トパターンはシングルスリット４１と同一形状、同一寸
法であり、各スリットの間隔は幅の２倍、つまりライン
アンドスペースは１：１であるとする。さて、シングル
スリット４１とマルチスリット４２とを相対走査したと
きに得られる光量変化（光電信号の波形）は、図１５
（ｂ）に示すようなｎ個のピーク（三角波）をもつ波形
５２となる。

【００１９】さらに上記と同一条件で、２つの物体の各
々に、図１３（ｂ）に示したマルチスリット４２を形成
した場合を考える。このとき、どちらも同一形状、同一
寸法かつ同一本数ｎであるとする。このとき得られる信
号波形を図１５（ｃ）に示す。同図から明らかなよう
に、ここでは（２ｎ−１）個のピークをもつ振幅変調さ
れた三角波状の波形５３となる。このとき、各ピークを
結ぶエンベロープＥｐは三角形になる。また、２つのマ
ルチスリット４２が正確に重なったときに、光量ｐがピ
ーク（光量ｐ_n≒ｎ・ｐ₁）となり、その位置をｘ_pで
表している。ちなみに上記と同一条件で、一方の物体の
マルチスリットの本数をｍ本にすると、信号波形は図１
５（ｄ）に示すような（ｎ＋ｍ−１）個のピークをもつ
振幅変調された三角波状の波形５４となる。このとき、
各ピークを結ぶエンベロープＥｐは台形になる。

【００２０】さて、今まではスリットパターン同士によ
る透過光量変化について述べたが、一方のスリットパタ
ーンをマークパターンに置き換えて考えることも可能で
ある。このような場合でも、スリットパターン側から平
面波を照射することは同じであるが、図１６（ａ）〜
（ｆ）の各々に示すような構成にすることが必要とな
る。図１６（ａ）〜（ｆ）に示した構成は一般に良く知
られているので、ここでは図１６（ａ）のみについて説
明する。図１６（ａ）では、光源６５からの照明光をス
リットパターン６４を介してマークパターン６３に照射
し、両方のパターンからの戻り光をビームスプリッター
（もしくはハーフミラー）６７を介して光電検出器６６
にて受光するようになっている。尚、図１６（ａ）にお
いて２つの物体６１、６２は互いに極近接して配置され
ているか、あるいは２つの物体６１、６２が光学的に共
役な関係に配置されているものとする。さらに、光電検
出器６６とマークパターン６３及びパターン６４とがレ
ンズ系（不図示）によりフーリエ変換の関係に定めれて
いるものとする。以上のことは、図１６（ｂ）〜（ｆ）
についても全く同様である。また、物体６１のマークパ
ターン側の面は走査範囲、またはそれ以上に渡って測定
光に対して完全反射であり、さらにマークパターン６３
は測定光に対して無反射、または完全透過で、かつスリ
ットパターンと同一形状、同一寸法であるものとする。

【００２１】さて、以上のような構成を採る場合、例え
ばパターン６４として図１３（ａ）に示したシングルス
リット４１を、マークパターン６３としてスリット４１
と全く同一のものを用いるものとすると、これらを相対
走査したときに得られる光電検出器６６からの光電信号
の強度は、２つのパターンの重なり合った面積に比例し
て反射光が減少していき、完全に重なった場合に零とな
る。従って、このとき得られる信号波形は、図１５
（ｅ）に示すような逆三角波状の波形５５となる。これ
は、図１５（ａ）に示した波形５１と全く逆の波形であ
り、他の組み合わせ（例えば、マルチスリットとマルチ
マーク等）についても同様な結果（スリットパターン同
士での波形と全く逆の波形）が得られる。

【００２２】また、図１６と同様な構成で、物体６１の
マークパターン側の面を無反射、もしくは完全透過であ
るものとして、マークパターンを完全反射に置き換える
と、上記と逆の波形、すなわちスリットパターン同士と
同様な波形（図１５（ａ）にに示した波形５１）が得ら
れる。さらに、図１５（ｃ）、（ｄ）に示すように、測
定光を一度マークパターンで反射させ、その反射してき
た光をスリットパターンの裏面で受光するような構成に
した場合も同様に考えることができ、この場合の波形
も、図１５（ａ）〜（ｄ）の各々に示した波形５１〜５
４、またはその逆の形状になると言える。同様にして、
図１６（ｅ）、（ｆ）に示すようなマークパターンから
の反射光同士を測定した場合も同じ結果が得られると言
える。

【００２３】尚、以下の実施例においては、記述を短く
するために、上記の組み合せを各々、透過／透過型（ス
リットパターン同士）、透過／反射型（図１６（ａ）、
（ｂ））、反射／透過型（図１６（ｃ）、（ｄ））、反
射／反射型（図１６（ｅ）、（ｆ））と呼ぶようにす
る。ところで、図１５に示したような理想的な信号波形
に対して、ピーク検出による２つの物体間の相対位置の
検出は容易である。例えば、図１５（ａ）に示した波形
５１の場合、最も光量が多い位置を探してその時の位置
ｘ_pを求めれば良い。また、図１５（ｂ）に示した波形
５２の場合には、マルチスリット４２の各スリットの間
隔及び本数ｎが既知であれば、上記と同様の処理を行な
うことで容易に求めることができる。図１５（ｃ）、
（ｄ）に示した波形５３，５４の場合も同様である。図
１５（ｅ）に示した波形５５、及び図１５（ｂ）〜
（ｄ）に示した波形５２〜５４と逆の形状の波形の場合
も、最も光量の少ない位置を探すようにすれば同様であ
る。

【００２４】これらの波形について位置検出上の特徴を
述べると、図１５（ａ）に示した波形５１の場合は信号
処理が単純であることが上げられる。図１５（ｂ）〜
（ｄ）に示した波形５２〜５４の場合は平均化の効果が
得られるということが上げられる。図１５（ｃ）、
（ｄ）に示した波形５３，５４の場合には、図１５
（ａ）に示した波形５１の光量をｐ₁として（但し、図
１５（ｄ）ではｎ＜ｍとする）、最も光量が多くなる位
置での光量ｐ_nはｎ×ｐ₁となり、Ｓ／Ｎ比的に有利に
なる。また、スリットパターン間の製造誤差も平均化さ
れることになる。さらに、図１５（ｃ）に示した波形５
３の場合には、最も光量が多い位置ｘ_pがパターン中心
となるので、計算上楽になるということも言える。

【００２５】ところで、図１５（ｂ）〜（ｄ）に示した
波形５２〜５４の場合には、周期的な波形であることが
前提であるので、特開平１−２９９４０２号公報で示さ
れているように信号波形から基本波成分及びその高次成
分をフーリエ級数展開により抽出し、それらと、設計上
導かれる基本波成分及びその高次成分との位相差によ
り、相対位置を算出する方法も適用可能である。この方
法は雑音に影響されにくいという特徴がある。この方法
の場合には、上記公報に示されているように、基本波成
分の±半周期以上は原理上測定できないので、予め基準
位置付近に収まるようにプリアライメントしておくか、
図１５（ｃ）に示した波形５３の場合には、上記のよう
に信号波形のピーク検出により中心位置が求まるので、
基準位置を計算上ずらすことで対応できる。

【００２６】以上のことは、あくまでも図１５に示した
ような理想的な波形が得られる場合についてのみ言える
ことであって、実際にはこのような波形が得られること
はほとんどあり得ない。実際には、測定光の回折や拡散
等の影響、測定光自体の光量変化、光電検出器で電気信
号に変換する際の変換誤差、各スリットパターンの製造
誤差、及び様々なところで発生する雑音等によって、例
えば図１３（ａ）に示したシングルスリット同士を相対
走査したときに得られる光量変化（光電信号）は、図１
４（ａ）に示すような波形４３となる。また、図１３
（ｂ）に示したマルチスリット同士を相対走査したとき
に得られる光量変化（光電信号）は、図１４（ｂ）に示
すような波形４４となる。特に上記ノイズ等の影響が大
きい場合は、疑似ピークが現れることもあれば、図１４
（ｃ）に示す波形４５のように最も光量が多い所が必ず
しもパターン中心ではない場合もある。波形４５は、測
定光としてエキシマレーザ等を用いる場合に現れる。こ
のような場合、図１４（ａ）に示した波形４３でピーク
検出を行なうと、誤検出する可能性が高くなる。図１４
（ｂ）に示した波形４４で位相差検出を行なえば、比較
的計測精度は高くなるが、図１４（ｃ）に示す如く疑似
ピークが現れて、パターン中心が特定できないことが起
こり得るので、予め２つの物体（パターン）のプリアラ
イメントを行っておく必要がある。通常は計測系の関係
から、上記２種類のスリットパターンを用いて位置検出
を行うことになる。

【００２７】さて、次に図１（ａ）に示すようなパター
ン１１について考えてみる。このパターン１１の特徴
は、図１３（ｂ）に示したマルチスリット４２の中央の
パターンの長さを長手方向（周期（ピッチ）方向と交差
する方向）に対して延長したものである。このようなス
リットパターン同士で相対走査を行うと、２つのスリッ
トパターンがほぼ重なり合ったときに、延長された中央
のパターン同士も一致し、その透過光量が飛躍的に増大
することになる。このとき得られる光電信号（光量変
化）の波形は図２（ａ）に示すような波形１２となる。
尚、パターン１１では延長された部分が本発明における
特定パターンに相当する。

【００２８】このような波形１２では、ノイズや他の影
響があっても、波形１２の中央付近での光量が最も多く
なるように延長する長さを決めれば、これをガイドにし
て位相差検出を行うことは容易である。つまり、光電信
号の強度が部分的に大きく変化する位置を単純なピーク
検出により求めることによって、スリットパターン１１
の設計値（すなわち長さを延長したパターンの位置）か
ら必ずパターン中心が特定でき、これに伴って波形に乱
れのある（ノイズの影響の大きな）測定系であっても、
プリアライメントを省略することが可能になる。このと
きの波形１２では、位相差検出を行なうための基本波成
分には、何ら影響を与えないことは明白である。また、
実際に必要なパターンの長さを計算するためには、測定
光の種類による回折光量や、拡散による影響、測定系に
存在し得るノイズのレベル等も考慮する必要があるが、
十分に計算で求めることができる。

【００２９】尚、図１（ａ）に示したパターン１１のよ
うに、複数本の矩形状パターンのうちの中央のパターン
の長さを延長するのではなく、中央以外のパターンを短
くする、あるいは中央のパターンのみを短くすることに
よっても、同様の効果が得られるが、Ｓ／Ｎ比が悪化し
得るので、パターン１１のように一部のパターンの長さ
を延長することが望ましい。

【００３０】また、図１（ｂ）に示すパターン１３のよ
うに、両端のパターンを延長した場合は、図２（ｂ）に
示す波形１４のように、両端と中央にツノ状の突起のあ
る波形が発生する。さらに、図１（ｃ）に示すパターン
１５のように、両端と中央のパターンを延長した場合
は、図２（ｃ）に示す波形１６のように、両端と中央と
その中間にツノ状の突起のある波形が発生する。このこ
とは、実際に２つのスリットパターンが重なっている部
分の面積を考えれば一目瞭然である。尚、波形１２，１
４，１６の各々での最大光量が同じであるなら、パター
ン１１より１３、１３より１５の方が延長する長さは短
くて済む。

【００３１】さらに、パターンを延長するのではなく、
図１（ｄ）に示すパターン１７のように、通常の周期性
パターンの脇（すなわち、周期方向と交差、図中では直
交する方向）に、同じ幅をもつパターン（本発明の特定
パターンに相当）を付加しても同様の波形が得られる。
また、図６（ａ）に示すように両端のパターンと中央の
パターンとを逆方向に延長すると、延長した部分の相互
干渉が減少するため、波形中央のピークのみを特に増大
することができる。さらに、周期性パターンの本数を多
くできる場合には、図６（ｂ）、（ｃ）に示すようなパ
ターンを使用することによって、波形中央のピークを特
に増大することができる。この際、どのパターンをどれ
だけ延長すれば良いかは、計算及びシミュレーションに
よって最適なものを選び出すことは可能である。尚、図
１及び図６に示したパターンでは、延長する長さを全て
等しく図示したが、必ずしも同じ長さである必要はな
い。また、いずれのパターンも所定ピッチで配列された
周期性パターンであることは言うまでもなく、さらに周
期方向と交差する方向に、本発明における特定パターン
（先のパターン延長部分等に相当）を有していることは
明らかである。

【００３２】ところで、別の考え方として、位相差検出
を行う波形の前後にガイドとなる波形を発生させても、
上記と全く同様の効果を得ることができる。この種のパ
ターンの一例を図３に、これらのパターンを相対走査し
たときに得られる信号波形を図４に示す。図３（ａ）に
示すようなパターン２１、２２を２つの物体の各々に形
成すると、図４（ａ）に示すような波形２３が得られる
ことは簡単に判る。同様に、図３（ｂ）に示すようなパ
ターン２２、２４を用いると、図４（ｂ）に示すような
信号波形２５が得られる。このとき、図４（ａ）、
（ｂ）中の両端に示す波形（ピーク）は、信号波形の中
心位置を周期性パターンの±半周期以内に特定するため
だけに用いられものであって、このようなガイドとなる
波形は位相差検出には用いられないので、周期性パター
ンに隣接して配置されたガイド作成用のパターンの幅
は、特に周期性パターンの幅と等しくする必要はない。
従って、図３に示したパターンを使用する場合には、ガ
イド作成用のパターンの幅を広くすることができる、換
言すればパターンをあまり延長せずとも、そのパターン
面積を大きくすることができるので、図１、図６に示し
たパターンと比較して、周期方向と垂直な方向に延長す
べきガイド作成のためのパターンの長さが短くて済むと
いう利点がある。

【００３３】また、図７（ａ）に示すように円筒に本発
明の周期性パターンを形成する場合、及び図７（ｂ）に
示すように円板にその回転中心から放射状に広がる形に
パターンを形成する場合には、角度を検出することも可
能である。

【００３４】

【実施例】次に、高精度の位置検出が要求される半導体
集積回路製造用の露光装置に、本発明による位置検出装
置を適用した場合について説明する。図８は本発明の第
１の実施例による位置検出装置を備えた投影露光装置の
概略的な構成を示す図である。本実施例では、透過／透
過方式によりレチクル（またはマスク）とウエハステー
ジとの相対位置関係を検出する場合について説明する。
尚、この種の計測は、レチクルのファインアライメント
時、あるいはベースライン計測時に行われるものであ
る。

【００３５】図８に示すようにレチクルＭは、オプチカ
ルインテグレータ等を含む主照明系（不図示）にて光束
の一様化等が行われた露光用照明光（ｉ線、ＫｒＦエキ
シマレーザ等）によってほぼ均一な照度で照明される。
尚、レチクルＭのパターン領域の近傍には光透過性のパ
ターン１０６が形成されており、本実施例ではパターン
１０６として、例えば図１（ａ）に示したスリットパタ
ーン１１が形成されているものとする。レチクルＭのパ
ターン領域を通過した照明光は、両側（もしくは片側）
テレセントリックな投影レンズ１０５に入射し、投影レ
ンズ１０５はレチクルＭの下面（パターン面）に形成さ
れた回路パターンの像を１／５、または１／１０に縮小
して、表面にレジスト層が形成されたウエハＷ上に結像
投影する。ウエハホルダ１１０はウエハＷを真空吸着す
るとともに、Ｘ、Ｙ方向に２次元移動するウエハステー
ジ１０１に対して微小回転可能に設けられている。ウエ
ハステージ１０１はモータ１１２によりステップアンド
リピート方式で２次元移動され、ウエハＷ上の１つのシ
ョット領域に対するレチクルＭの転写露光が終了する
と、次のショット位置までステッピングする。干渉計１
１１はウエハステージ１０１の２次元的な位置を、例え
ば０．０２μｍ程度の分解能で常時検出する。

【００３６】また、ウエハステージ１０１にはベースラ
イン計測時等で用いられるフィデューシャル・マーク１
０４を備えた基準部材（ガラス基板）１０３が、ウエハ
Ｗの表面位置とほぼ一致するように設けられている。基
準部材１０３にはフィデューシャル・マーク１０４とし
て、例えば図１（ａ）に示した光透過性の２組のスリッ
トパターン１１が、それぞれＸ、Ｙ方向に伸びて形成さ
れている。スリットパターン１１はデューティ比１：１
のラインアンドスペースパターンであり、ここでは特に
中央の矩形状パターンのみが周期（ピッチ）方向（第１
方向）とほぼ垂直な方向（第２方向）に延長して形成さ
れている。これは、スリットパターン１０４、１０６を
相対走査したときに得られる光電信号の波形（光強度）
を部分的に変化させ、後述の位相差検出において信号波
形の中心位置を±半周期以内に特定するためである。

【００３７】また、主照明系から一部分岐した照明光
（露光光）Ｌは、光ファイバー等の不図示の送光系によ
ってウエハステージ１０３の内部に導かれた後、ミラー
１０２で反射されて基準部材１０３の下まで伝送され、
基準部材１０３をその裏面から照射するように構成され
ている。これによって、スリットパターン１０４は下方
（ウエハステージ１０１の内部）から照明されることに
なり、このスリットパターン１０４を透過した照明光Ｌ
は、投影レンズ１０５を介してレチクルＭの裏面（パタ
ーン面）にスリットパターン１０４の投影像を結像す
る。さらにウエハステージ１０１を微動して、スリット
パターン１０４の投影像とレチクルＭ上のスリットパタ
ーン１０６とをその周期方向（計測方向）に相対走査し
たとき、スリットパターン１０６を通過した照明光はミ
ラー１０７で反射された後、集光レンズ１０８を通っ
て、投影レンズ１０５の瞳共役面近傍に配置された光電
検出器（フォトディテクタ）１０９により受光されるよ
うに構成されている。

【００３８】また、フォトディテクタ１０９から出力さ
れる光電信号（図２（ａ）に示した波形１２）は信号処
理系３００に入力するとともに、信号処理系３００は干
渉計１１１からの位置信号も入力する。本実施例におい
て信号処理系３００は２組の信号処理回路を有してお
り、第１信号処理回路３０１は先の特開平１−２９９４
０２号公報に開示された手法に従い、光電信号をフーリ
エ級数展開して基本波成分、及びその高次成分を抽出す
るとともに、この抽出された各成分と設計上導かれる基
本波成分及びその高次成分との位相差から相対位置を算
出するものである。尚、詳しくは上記公報に開示されて
いるので、ここでは説明を省略する。一方、第２信号処
理回路３０２は所定の信号処理（例えばスライスレベル
等）により光電信号のピーク検出（特に本実施例では図
２（ａ）に示した波形１２のほぼ中央でピークとなる位
置の検出）を行うものであって、ここでの検出結果は信
号波形の中心位置を±半周期（１８０°）以内に特定す
るために用いられる。主制御系５００は信号処理系３０
０、すなわち第１、第２信号処理回路３０１、３０２の
各々での検出結果（第１、第２の位置情報）を入力し、
これらに基づいて２つのスリットパターン１０４、１０
６の相対位置を算出する。すなわち、第１信号処理回路
３０１にて位相差計測法に従って算出された相対位置
（第１の位置情報）が±半周期以上ずれていても、主制
御系５００は第２信号処理回路３０２で検出されたピー
ク位置（第２の位置情報）に基づいて信号波形の中心位
置を±半周期以内に特定することによって、高精度に相
対位置を算出することが可能となっている。さらに、主
制御系５００は干渉計１１１からの位置情報に基づいて
モータ１１２に所定の駆動指令を与える他、装置全体を
統括制御する。

【００３９】次に、上記構成の装置の動作を簡単に説明
する。図８において、主制御系５００はモータ１１２に
よりウエハステージ１０１を駆動して、基準部材１０３
を投影レンズ１０５の下に送り込む。そして、照明光Ｌ
を基準部材１０３の裏面から照射し、スリットパターン
１０４の投影像をレチクルＭのパターン面に結像する。
しかる後、ウエハステージ１０１を微動して上記投影像
とスリットパターン１０６とを相対走査し、その透過光
をフォトディテクタ１０９で受光する。信号処理系３０
０はフォトディテクタ１０９からの光電信号を、干渉計
１１１によって計測されるウエハステージ１０１の位置
に同期してサンプリングし、このサンプリングした値を
デジタル値に変換した後、不図示のメモリに番地順に記
憶する。しかる後、上記の如く第１、第２信号処理回路
３０１、３０２の各々において光電信号の波形処理が行
われ、さらに主制御系５００はこの検出結果に基づい
て、２つのスリットパターン１０４、１０６、すなわち
レチクルＭとウエハステージ１０１（基準部材１０３）
との相対位置を算出する。

【００４０】以上、本実施例では図８に示すような構成
を採っていたが、逆にレチクルＭの上面より照明光を照
射してスリットパターン１０６の投影像を基準部材１０
３上に結像し、スリットパターン１０４を介してその透
過光量を検出するような構成としても構わない。また、
照明光Ｌとして主照明系から一部分岐した露光光を用い
ることとしていたが、当然ながら別の光源からの光（露
光光と全く同一波長である必要はなく、露光波長に近い
波長であれば良く、例えば高調波であっても構わない）
を照明光Ｌとして使用しても良い。さらに、レチクルＭ
と基準部材１０３の少なくとも一方を反射型のマークパ
ターンとすれば、図１６（ｃ）、（ｅ）に示したような
反射／透過型や反射／反射型方式も適用できることは言
うまでもない。また、図８では受光系（フォトディテク
タ１０９等）をレチクルＭ上に配置していたが、例えば
特開昭６４−１０１０５号公報に開示されているよう
に、主照明系の光路中にビームスプリッタを配置し、こ
のビームスプリッタを介してスリットパターン１０６の
透過光を受光するように構成しても良く、この場合には
レチクルＭ上でのスリットパターン１０６の配置（位
置）を自由に選択することができるといった利点が得ら
れる。第６図において示されているような構成により、
マスクＭ上のスリット１０６の配置を自由に行なう事も
できる。

【００４１】次に、図９を参照して本発明の第２の実施
例について説明する。本実施例では、本発明を投影露光
装置のアライメント系に適用した場合、特に透過／反射
型方式により投影レンズを介してレチクルとウエハとの
相対位置関係を検出する場合について述べる。尚、図９
では図８に示した部材と同じ機能、作用の部材には同一
の符号を付してある。また、本実施例における光電信号
の波形処理は第１の実施例と全く同一であるので、図９
では信号処理系３００及び主制御系５００は省略してあ
る。本実施例では、第１の実施例と異なる点についての
み説明を行う。

【００４２】図９において、主照明系（不図示）から一
部分岐した照明光ＬはレチクルＭのスリットパターン１
０６を照射し、その投影像を投影レンズ１０５を介して
ウエハＷ上に結像する。尚、主照明系から露光光を分岐
せずとも、スリットパターン１０６以外の領域に露光光
が照射されないように、不図示のレチクルブラインド等
によってスリットパターン１０６を含む部分領域のみに
露光光が照射されるようにしても良い。また、ウエハＷ
上の複数のショット領域の各々には、アライメント用の
マークパターン１２０（例えば、図１（ａ）に示したス
リットパターン１１と同一形状のもの）が形成されてい
るものとする。ここで、マークパターン１２０は照明光
Ｌに対して、マーク領域以外の領域と反射率の異なるパ
ターンが形成されていれば良い。方法としては、エッチ
ング等で表面を荒し、測定光が散乱するようなものが考
えられるが、特にマーク形成方法は問わない。

【００４３】さて、ウエハステージ１０１を微動して、
スリットパターン１０６の投影像とマークパターン１２
０とを相対走査すると、マーク形状による反射率に応じ
て、照明光Ｌは投影レンズ１０５を介して反射してく
る。この反射光をハーフミラー１２１により一部分岐し
て集光レンズ１０８によりフォトディテクタ１０９の受
光面上に集光する。このときフォトディテクタ１０９か
ら出力される光電信号を、第１の実施例と全く同様の動
作で波形処理することによって、レチクルＭとウエハＷ
との相対位置を求めることができる。尚、本実施例では
ハーフミラー１２１をレチクルＭと投影レンズ１０５と
の間に配置しているが、投影レンズ１０５の透過率を考
慮してウエハＷと投影レンズ１０５との間に配置するよ
うにしても良い。当然ながら、レチクルＭの上方に配置
しても構わない。

【００４４】次に、図１０を参照して本発明の第３の実
施例について説明する。本実施例では、本発明を投影露
光装置のＴＴＬ方式のアライメント系に適用した場合、
特に透過／反射型方式により投影レンズを介して専らウ
エハの位置を検出する場合について述べる。尚、図１０
に示したアライメント系では、投影レンズ１０５に関し
てウエハＷとほぼ共役な面内に配置された基準板１３１
上の基準パターン（スリットパターン）１３１と、ウエ
ハＷ上のショット領域に付随したマークパターンとの相
対位置が検出されることになる。また、尚、図１０では
図８に示した部材と同じ機能、作用の部材には同一の符
号を付してあり、本実施例における光電信号の波形処理
は第１の実施例と全く同一であるので、信号処理系３０
０及び主制御系５００は省略してある。また、本実施例
では、第１、第２の実施例と異なる点についてのみ説明
を行う。

【００４５】図１０において、照明光Ｌはハーフミラー
１３２により反射されて基準板１３０を照射し、さらに
基準板１３０上のスリットパターン１３１を透過した光
はミラー１３３で反射され、投影レンズ１０５を介して
ウエハＷ上にスリットパターン１３１の投影像を結像す
る。以下、計測動作及び波形処理動作等については、第
１、第２の実施例と全く同じであるので、ここでは説明
を省略する。このように、ＴＴＬ方式のアライメント系
に対しても本発明を簡単に適用することができ、その計
測精度を向上させることが可能となっている。尚、予め
レチクルＭ（スリットパターン）と基準板１３０上のス
リットパターン１３１との位置関係を正確に校正してお
けば、マークパターン１２０をスリットパターン１３１
に合わせ込むことによって、レチクルパターンの投影像
とショット領域とが正確に位置合わせされることは言う
までもない。尚、図８中に示した構成に図１０に示した
構成を組み合わせる、すなわち図８においてレチクルＭ
と投影レンズ１０５との間に、ミラー１３３をハーフミ
ラーとして配置し、図１０中に示したアライメント系を
組み込めば、基準部材１０３からの照明光Ｌはハーフミ
ラー１３３を介して基準板１３０も照射することにな
り、レチクルＭの位置検出と同時に基準板１３０の位置
検出を行うことが可能となる。

【００４６】次に、図１１を参照して本発明の第４の実
施例について説明する。本実施例では、本発明を投影露
光装置のオフアクシス方式のアライメント系に適用した
場合、特に透過／反射型方式により専らウエハの位置の
みを検出する場合について述べる。尚、図１１に示した
アライメント系では、対物レンズ１４２に関してウエハ
Ｗとほぼ共役な面内に配置された基準板１４０上の基準
パターン（スリットパターン）１４１と、ウエハＷ上の
ショット領域に付随したマークパターンとの相対位置が
検出されることになる。また、図１１では図８に示した
部材と同じ機能、作用の部材には同一の符号を付してあ
り、本実施例における光電信号の波形処理は第１の実施
例と全く同一であるので、信号処理系３００及び主制御
系５００は省略してある。また、本実施例における計測
動作は、第３の実施例と全く同じであるので、ここでは
簡単に説明する。図１１に示すようなオフアクシス方式
のアライメント系では、投影レンズ１０５を介してマー
クパターン１２０の計測を行わないので、使用する照明
光Ｌの波長域を任意に設定できることを始めとして、設
計上の自由度が大きいといった利点等があり、例えばレ
ジスト層での薄膜干渉等を考慮してブロードバンドの照
明光を使用することができる。

【００４７】図１１において、照明光Ｌはハーフミラー
１４３を通過して基準板１４０上のスリットパターン１
４１を照射し、対物レンズ１４３によりスリットパター
ン１４１の投影像をウエハＷ上に結像する。ウエハＷ上
のマークパターン１２０からの反射光は対物レンズ１４
２、基準板１４０、ハーフミラー１４３、及び集光レン
ズ１０８を介してフォトディテクタ１０９にて受光され
る。従って、スリットパターン１４１の投影像とマーク
パターン１２０とを相対走査すると、フォトディテクタ
１０９からの光電信号は図２（ａ）に示したような波形
となる。本実施例においても、先の第１〜第３の実施例
と全く同様に、信号処理系３００にて波形処理を行うこ
とによって、スリットパターン１４１に対するマークパ
ターン１２０の位置が精度良く検出されることになる。

【００４８】ところで、上記第２〜第４実施例におい
て、レチクルＭ上のスリットパターン１０６、及び基準
板１３０、１４０上のスリットパターン１３１，１４１
を反射型のマークパターンに置き換えるとともに、図１
６（ｅ）に示したような光学系を採用すれば、反射／反
射型方式の検出も可能であることは明らかである。次
に、図１２を参照して本発明の第５実施例について説明
する。本実施例では、本発明を透過／反射型方式により
角度を検出するロータリーエンコーダに適用した場合に
ついて述べる。

【００４９】図１２において、基準板（円板）２０１は
モータ２０５により回転可能に構成され、基準板２０１
上には本発明による反射型のマークパターン２０２（例
えば図７（ｂ））が、角度検出板２０３と向かい合う面
に形成されている。角度検出板２０３はシャフト２０６
を介して披測定物２００と結合されている。尚、披測定
物２００、角度検出板２０３、及び基準板２０１は回転
中心をほぼ一致させる必要があることは言うまでもな
い。また、その方法については任意で構わない。また、
角度検出板２０３にはマークパターン２０２と対向し
て、本発明による透過型のスリットパターン２０４が形
成されている。角度検出板２０３においてスリットパタ
ーン２０４と反対側の面には、マークパターン２０２と
スリットパターン２０４との相対角度を検出するための
光学系が配置されている。光源２１１からの照明光は、
コリメートレンズ２１２、ハーフミラー２１３、及び１
／４波長板２１４を通った後、スリットパターン２０４
を通過してマークパターン２０２を照射する。マークパ
ターン２０２からの反射光は、再びスリットパターン２
０４、１／４波長板２１４を通過してハーフミラーで反
射された後、集光レンズ２１５によりフォトディテクタ
２１６の受光面上に集光される。

【００５０】さて、例えばモータ２０５が一定の回転数
で回転するごとく、基準板２０１の角度変位と時刻ｔの
関係とが明らかであれば、時刻ｔに対する光量の関係か
ら発生する波形により、前記実施例と全く同様の波形処
理にて角度検出を行なうことは容易である。本実施例で
は角度検出装置について説明したが、これを直線移動に
置き換えれば、リニアエンコーダ等の直線位置検出装置
にも応用が可能である。また、本実施例では回転する２
枚の円板を用いたが、例えば図７（ａ）に示したような
円筒を２つ使用しても、全く同様に２つの円筒の相対角
度を検出できるさらに、本実施例で示した光学系におい
て光源２１１を半導体レーザ、フォトディテクタ２１６
をフォトトランジスタ、ハーフミラー２１３を偏光ビー
ムスプリッタとすれば、コンパクトディスク再生器のピ
ックアップとほぼ同じ構成であるので、小型の光学系が
実現でき、かつ部品の流用により安価に作成することも
可能である。

【００５１】以上の通り第１〜第５の実施例においては
本発明による位置検出装置を投影露光装置やロータリー
エンコーダに適用した例を説明したが、本発明はプロキ
シミティー方式の露光装置のアライメント系、半導体製
造工程で使用される検査装置を始めとする処理装置等に
も適用できることは言うまでもなく、２つの物体の相対
変位を計測する全ての装置に対して適用することが可能
である。尚、図１６に模式的に示したように、本発明を
適用可能な装置構成（特に検出光学系）は任意で良いこ
とは言うまでもない。

【００５２】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、ノイズに
強く高精度な位置検出が、一組のパターンで、かつ一度
の相対走査のみで行うことができるので、プリアライメ
ントに要していた時間が不要になり、検出時間が短縮で
きるという効果がある。また、プリアライメント用のパ
ターン、及び装置が不要になり、その調整も不要になる
ため、部品点数の削減や装置の製造工程の短縮、及びコ
スト低減等の効果がある。また、透過及び反射の組み合
せが測定系に応じて自由に選べるので、広範囲の分野に
応用できるという効果もある。さらに、本発明は第５実
施例に示した通り角度検出装置に対しても適用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明で好適なパターン形状の一例を示す図。

【図２】図１に示したパターンを用いたときに得られる
信号波形の一例を示す図。

【図３】本発明で好適なパターン形状の別の例を示す
図。

【図４】図３に示したパターンを用いたときに得られる
信号波形の一例を示す図。

【図５】本発明で好適なパターン形状の別の例を示す
図。

【図６】本発明で好適なパターン形状の別の例を示す
図。

【図７】本発明を角度検出装置に適用する場合に好適な
パターン形状の別の例を示す図。

【図８】本発明の第１の実施例による位置検出装置を備
えた投影露光装置の概略的な構成を示す図。

【図９】本発明の第２の実施例の説明に供する図。

【図１０】本発明の第３の実施例の説明に供する図。
。

【図１１】本発明の第４の実施例の説明に供する図。
。

【図１２】本発明の第５の実施例の説明に供する図。
。

【図１３】従来の位置検出装置に使用されるパターン形
状の一例を示す図。

【図１４】図１３に示したパターンを用いたときに実際
に得られる信号波形の一例を示す図。

【図１５】図１３に示したパターンを用いたときに得ら
れる理想的な信号波形の一例を示す図。

【図１６】本発明による位置検出装置、特にパターン検
出光学系の構成の一例を模式的に示す図。

【符号の説明】

１１、１３、１５、１７スリットパターン１０１ウエハステージ１０３基準部材１０４フィデューシャルマーク（スリットパターン）１０５投影レンズ１０９フォトディテクタ１１１干渉計１１２モータ３００信号処理系３０１第１信号処理回路３０２第２信号処理回路５００主制御系Ｌ測定光ＭレチクルＷウェハ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１のパターンを有する第１物体に対し
て第２のパターンを有する第２物体を所定の第１方向に
相対的に移動する手段と、前記第２物体の位置を検出す
る手段と、前記第１のパターンと第２のパターンとに照
明光を照射する照明手段と、前記照明光の照射によって
前記第１のパターンと第２のパターンとから発生する光
を受光する光電検出手段とを備え、前記第１物体と第２
物体とを前記第１方向に相対移動させたときに前記光電
検出手段から出力される検出信号と、前記検出手段から
の検出信号とに基づいて、前記第１物体と第２物体との
前記第１方向に関する相対位置を検出する装置におい
て、前記第１のパターンと第２のパターンとは、前記第１方
向に関して周期性を有するとともに、前記検出信号の強
度を部分的に変化させるための特定パターンが前記第１
の方向と交差する第２の方向に形成されており；前記光
電検出手段からの検出信号の周期性に基づいて第１の位
置情報を発生する第１の信号処理手段と；前記光電検出
手段からの検出信号の強度に基づいて第２の位置情報を
発生する第２の信号処理手段とを備え、前記第１の位置情報と第２の位置情報とに基づいて前記
相対位置を検出することを特徴とする位置検出装置。